Ser superledere bli supermagneter

Superledere er materialer som kan transportere elektrisitet uten motstand og tap av energi. Men superledere kan også bli ekstremt sterke magneter. Tom Henning Johansen og hans medarbeidere har som eneste forskergruppe i verden utviklet en optisk metode for å se hvordan de kvantiserte magnetfelt-trådene beveger seg og hektes fast inne i superlederen.

UNIKT APPARAT: Professor Tom Henning Johansen med sitt magneto-optiske mikroskop, hvor det er mulig å se magnettrådene i superlederen. Trådene er typisk 200 nanometer i diameter. Dette utstyret er utviklet ved Universitetet i Oslo og er enestående i verden. Foto : Ståle Skogstad (©)

Superledere er en type materialer det er knyttet store forhåpninger til. Tenk om det for eksempel var mulig å transportere strøm fra Alta til Oslo uten energitap? Materialene finnes, men det er fortsatt en del tekniske vansker ved å utnytte superledernes kvaliteter i praksis. Et hovedproblem er at materialet må være sterkt nedkjølt for å lede elektrisitet uten motstand. Den ”høyeste” temperaturen til en superleder er i dag –140 °C og gjelder for et kvikksølvholdig keram.

Sensasjonelle egenskaper

– I tillegg til å kunne lede strøm uten motstand, har superlederne også helt oppsiktsvekkende magnetiske egenskaper, forteller fysikkprofessor Tom Henning Johansen. Som hovedregel vil superledere presse magnetfelt bort fra seg, men i mange tilfeller kan magnetfeltet likevel trenge inn i superlederen, og da i form av ørsmå kvantiserte tråder. Disse trådene hekter seg lett fast inne i materialet og kan paradoksalt nok gjøre superlederen til en ekstremt sterk magnet, opptil 20-30 ganger kraftigere enn selv de sterkeste, vanlige magnetene. Å forstå hvordan disse magnetiske trådene ”fanges” i superlederen og å kontrollere denne prosessen, danner grunnlaget for de fleste teknologiske anvendelser av superledere. Allerede brukes supermagneter til svevetog, til partikkelakseleratorer som ved CERN i Sveits og i medisinsk utstyr, blant annet til undersøkelser ved hjelp av magnetisk resonans (MR-imaging).

Spesialisert forskning

Johansen og hans medarbeidere har spesialisert seg på å studere magnettrådenes oppførsel i superlederen. De har selv utviklet et magneto-optisk mikroskop hvor det faktisk er mulig å se disse trådene direkte når de trenger inn i og fester seg i superlederen. Dette utstyret ved Universitetet i Oslo er enestående i verden.

Bilde av et magnetfelt

MAGNET-TRE: Dette er et bilde av magnetfeltet idet det plutselig trenger inn i materialet magnesium diborid, en superleder sensasjonelt oppdaget i 2001. For praktiske anvendelser er dannelsen av slike vakre magnetiske trær dessverre uønsket, en oppdagelse som ble gjort av UiO-forskerne for to år siden, og som nå har lykkes med å kontrollere fenomenet. Foto: Tom Henning Johansen, Fysisk institutt

– Magnettrådene hekter seg fast i urenheter i materialet. Dette er i dag en vilkårlig prosess, men dersom man klarer å kontrollere hvordan trådene fester seg i superlederen, er det også nøkkelen til å kontrollere materialets elektromagnetiske egenskaper. Vi kan for eksempel direkte lokalisere de svake og gode delene av superlederen. Jeg tror vi snart ser et gjennombrudd når det gjelder den praktiske anvendelse av denne kunnskapen, sier Johansen, som har fått stor internasjonal oppmerksomhet rundt sin forskning og spesialiserte teknologi. Forskning på superledende materialer utgjør i dag et enormt felt på verdensbasis med rundt 10 000 forskere involvert.

Gjennombrudd

Ved å kunne se hvordan de magnetiske trådene fanges og beveger seg inne i superlederen, kan Johansen og hans medarbeidere faktisk observere kvantefysikkens lover i virksomhet. Det er to år siden forskergruppen ved UiO gjorde gjennombruddet på dette feltet, og gruppen er fremdeles ledende i verden. I august i år skal Johansens gruppe i Norge arrangere den aller første internasjonale konferanse på magneto-optisk avbildning. Forskergruppen har i tre år samarbeidet med Tandberg Data og O-MaSS om å utvikle et magneto-optisk lesehode for data lagret på magnetbånd, der målet er en dramatisk økning i lesehastighet.

Fakta

Kvantisert Begrepet "kvantisert" (i motsetning til "kvantifisert") har sin rot i kvantefysikkens lover. Det er slik at kvantefysikken for superledere i magnetfelt tillater at magnefelt trenger inn i materialet i såkalte "fluks-kvant", det vil si en helt bestemt mengde magnetfelt. Denne mengden er ikke vilkårlig, men gitt av fundamentale fysiske enheter. Flukstrådene som Johansen og hans medarbeidere kan observere, er alle sammen helt identiske med hensyn til mengde magnetfelt de bringer med seg. Trådene går ikke alltid rett gjennom materialet, men ofte deformeres de på grunn av hektingen til defekter i materialet.

Emneord: Matematikk og naturvitenskap, Fysikk, Atomfysikk, molekylfysikk, plasmafysikk, Kjerne- og elementærpartikkelfysikk Av Johannes W. Løvhaug
Publisert 1. feb. 2012 12:05
Legg til kommentar

Logg inn for å kommentere

Ikke UiO- eller Feide-bruker?
Opprett en WebID-bruker for å kommentere